[发明专利]基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其使用方法

说明书

本发明涉及太赫兹器件领域。目的是提供一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质分析的方法，该传感器及其物质分析方法能够不经过谐振频率调节，通过一次信号采集即实现对目标物的特异性灵敏检测，具有检测快速、操作方便、适用范围广等优点。技术方案是：一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：该太赫兹超结构传感器包括平板基底和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元；每个组合超结构单元由X个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；周期性阵列分布的组合超结构单元通过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。

技术领域

本发明涉及太赫兹器件领域，具体是一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质检测分析的方法。

背景技术

太赫兹辐射是一种频率范围为0.1-10THz的电磁波(1THz＝10¹²THz),在电磁波谱中介于微波和红外波之间，具有安全性、瞬态性、透视性、宽频带以及波谱分辨能力等诸多性质。特别地，许多生化分子间的弱相互作用力，如氢键、范德华力、分子内的低频集体振转模式以及晶体中晶格的低频振动通常都出现在太赫兹频段内。因此，利用太赫兹波为信号源进行物质的检测分析具有独特的优势，在生物科学、材料科学、医药学和食品科学等方面具有巨大的应用潜力。然而，由于太赫兹波光子能量低、波长长，直接进行物质检测存在背景信号干扰严重、检测灵敏度低等问题。

太赫兹超材料是一种工作在太赫兹频段、具有亚波长周期性阵列结构的人工电磁材料。利用太赫兹超材料所具有的伪表面等离激元效应能促进太赫兹波与目标物间相互作用，有效提升太赫兹波检测的灵敏度。目前，这种利用太赫兹超材料进行的检测主要是通过谐振峰的频移量来分析目标物的含量，属于折射率传感器，检测的特异性差。为了改善检测的特异性，研究发现当太赫兹超材料的谐振峰与目标物的特征吸收峰频率一致时，目标物对超材料谐振模式的调制效果会更加显著；但对于在一定频段内仅有单个或若干个离散谐振模式的太赫兹超材料，这种方法只适用于检测相匹配的目标物，适用性差。中国专利文献CN108493567B公开了一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法，使用时需要不断调节谐振腔的间距，从而在不同频率处构造出谐振峰，完成单个样品的检测，检测过程复杂、耗时。以上这些不足极大地限制了太赫兹超材料在太赫兹传感检测领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器及其用于物质分析的方法，该传感器及其物质分析方法能够不经过谐振频率调节，通过一次信号采集即实现对目标物的特异性灵敏检测，具有检测快速、操作方便、适用范围广等优点。

本发明采用了以下技术方案：

一种基于多特征单元的太赫兹超结构传感器，其特征在于：该太赫兹超结构传感器包括平板基底和在平板基底表面呈周期性阵列分布的若干个组合超结构单元；每个组合超结构单元由X个不同特征单元以固定中心间距按方形阵列排布的方式构成；周期性阵列分布的组合超结构单元通过蒸镀或刻蚀的方式添加在平板基底表面。

作为优选，所述平板基底在太赫兹频段具有较低折射率和较弱的吸收强度；所述组合超结构单元中的各个特征单元为具有亚波长特征尺寸的人工电磁介质。

作为优选，所述平板基底为石英片或高阻硅片。

所述不同特征单元，是指各特征单元的特征尺寸不同，包括宽度方向尺寸或/和长度方向尺寸。

每个组合超结构单元中的各个特征单元，按特征尺寸从小到大或从大到小规律变化的次序进行横向排列和纵向排列。

所述组合超结构单元中的各个特征单元在单独被太赫兹波激发时所产生的谐振模式相同，但谐振模式出现在不同太赫兹频率处，在太赫兹波谱中表现为统一出现谐振峰或统一出现谐振谷；而各个特征单元经组合后被太赫兹波激发时谐振模式间相对独立。